Una delle cose più elementari che ci vengono insegnate nelle lezioni di scienze della scuola è che l'acqua può esistere in tre stati diversi, come ghiaccio solido, acqua liquida o gas di vapore. Ma un team internazionale di scienziati ha recentemente scoperto segni che l'acqua liquida potrebbe effettivamente arrivare in due stati diversi.
Scrivendo in un articolo sperimentale, pubblicato sull'International Journal of Nanotechnology, i ricercatori sono stati sorpresi di scoprire che una serie di proprietà fisiche dell'acqua cambiano il loro comportamento tra 50 ℃ e 60 ℃. Questo segno di un potenziale passaggio a un secondo stato liquido potrebbe innescare una discussione accesa nella comunità scientifica. E, se confermato, potrebbe avere implicazioni per una serie di settori, tra cui la nanotecnologia e la biologia.
Gli stati della materia, chiamati anche "fasi", sono un concetto chiave nello studio di sistemi costituiti da atomi e molecole. In parole povere, un sistema formato da molte molecole può essere organizzato in un certo numero di configurazioni a seconda della sua energia totale. A temperature più elevate (e quindi energie più elevate), le molecole hanno configurazioni più possibili e quindi sono più disorganizzate e possono muoversi in modo relativamente libero (la fase gassosa). A temperature più basse, le molecole hanno un numero più limitato di configurazioni e quindi formano una fase più ordinata (un liquido). Se la temperatura scende ulteriormente, si dispongono in una configurazione molto specifica, producendo un solido.
Questa immagine è comune per molecole relativamente semplici come l'anidride carbonica o il metano, che hanno tre stati chiari e diversi (liquido, solido e gas). Ma per molecole più complesse, esiste un numero maggiore di possibili configurazioni e questo dà luogo a più fasi. Una bella illustrazione di ciò è il ricco comportamento dei cristalli liquidi, che sono formati da molecole organiche complesse e possono fluire come liquidi, ma hanno ancora una struttura cristallina solida come
Poiché la fase di una sostanza è determinata da come sono configurate le sue molecole, molte proprietà fisiche di quella sostanza cambieranno bruscamente mentre passa da uno stato a un altro. Nel recente articolo, i ricercatori hanno misurato diverse proprietà fisiche rivelatrici dell'acqua a temperature comprese tra 0 ° C e 100 ° C in normali condizioni atmosferiche (il che significa che l'acqua era un liquido). Sorprendentemente, hanno trovato un nodo in proprietà come la tensione superficiale dell'acqua e il suo indice di rifrazione (una misura di come la luce la attraversa) a circa 50 ° C.
Come può essere? La struttura di una molecola d'acqua, H2O, è molto interessante e può essere raffigurata come una specie di punta di una freccia, con i due atomi di idrogeno che fiancheggiano l'atomo di ossigeno nella parte superiore. Gli elettroni nella molecola tendono ad essere distribuiti in modo piuttosto asimmetrico, rendendo il lato dell'ossigeno caricato negativamente rispetto al lato dell'idrogeno. Questa semplice caratteristica strutturale porta a una sorta di interazione tra molecole d'acqua nota come legame all'idrogeno, in cui le cariche opposte si attraggono.
Ciò conferisce proprietà idriche che, in molti casi, infrangono le tendenze osservate per altri liquidi semplici. Ad esempio, a differenza della maggior parte delle altre sostanze, una massa fissa di acqua occupa più spazio come solido (ghiaccio) che come (liquido) a causa del modo in cui le molecole formano una struttura regolare specifica. Un altro esempio è la tensione superficiale dell'acqua liquida, che è circa il doppio di quella di altri liquidi non polari, più semplici.
L'acqua è abbastanza semplice, ma non troppo semplice. Ciò significa che una possibilità per spiegare l'apparente fase aggiuntiva dell'acqua è che si comporta un po 'come un cristallo liquido. I legami idrogeno tra le molecole mantengono un certo ordine a basse temperature, ma alla fine potrebbero richiedere una seconda fase liquida meno ordinata a temperature più elevate. Questo potrebbe spiegare i nodi osservati dai ricercatori nei loro dati.
Se confermati, i risultati degli autori potrebbero avere molte applicazioni. Ad esempio, se i cambiamenti nell'ambiente (come la temperatura) causano cambiamenti nelle proprietà fisiche di una sostanza, ciò può potenzialmente essere utilizzato per applicazioni di rilevamento. Forse più fondamentalmente, i sistemi biologici sono per lo più fatti di acqua. Il modo in cui le molecole biologiche (come le proteine) interagiscono tra loro probabilmente dipende dal modo specifico in cui le molecole d'acqua si organizzano per formare una fase liquida. Comprendere come le molecole d'acqua si organizzano in media a temperature diverse potrebbe far luce sul funzionamento di come interagiscono nei sistemi biologici.
La scoperta è un'opportunità entusiasmante per teorici e sperimentatori, e un bellissimo esempio di come anche la sostanza più familiare abbia ancora segreti nascosti all'interno.
Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation. Leggi l'articolo originale
